Файл: Сетевые операционные системы (1. Характеристика сетевых операционных систем).pdf

• механизм передачи сообщений между процессами IPC (Inter Process Communication — взаимодействие между процессами);

• редиректор (redirector) прерываний; ' Это фирменная технология, о которой несколько более подробно рассказано далее. Сетевая операционная система реального времени QNX 343

• блок планирования выполнения задач (иначе говоря, диспетчер задач);

• сетевой интерфейс для перенаправления сообщений (менеджер Net).

Механизм IPC обеспечивает пересылку сообщений между процессами и является одной из важнейших частей операционной системы, так как все взаимодействие между процессами, в том числе и системными, происходит через сообщения. Сообщение в операционной системе QNX — это последовательность байтов произвольной длины (0-65 535 байт) произвольного формата. Протокол обмена сообщениями может выглядеть, например, таким образом. Задача блокируется для ожидания сообщения. Другая задача посылает первой сообщение и при этом блокируется сама, ожидая ответа. Первая задача деблокируется, обрабатывает сообщение и отвечает, деблокируя вторую задачу. Сообщения и ответы, пересылаемые между процессами при их взаимодействии, находятся в теле отправляющего их процесса до того момента, когда они могут быть приняты. Это означает, что, с одной стороны, снижается вероятность повреждения сообщения в процессе передачи, а с другой — уменьшается объем оперативной памяти, необходимый для работы ядра. Кроме того, становится меньше пересылок из памяти в память, что разгружает процессор. Особенностью процесса передачи сообщений является то, что в сети, состоящей из нескольких компьютеров, работающих под управлением QNX, сообщения могут прозрачно передаваться процессам, выполняющимся на любом из узлов. Определены в QNX еще и два дополнительных метода передачи сообщений — метод представителей (proxy) и метод сигналов (signal). Представители используются в случаях, когда процесс должен передать сообщение, но не должен при этом блокироваться на передачу. Тогда вызывается функция qnx_proxy_attach() и создается представитель. Он накапливает в себе сообщения, которые должны быть доставлены другим процессам. Любой процесс, знающий идентификатор представителя, может вызвать функцию Trigger(), после чего будет доставлено первое в очереди сообщение. Функция Trigger() может вызываться несколько раз, и каждый раз представитель будет доставлять следующее сообщение. При этом представитель содержит буфер, в котором может храниться до 65 535 сообщений. Как известно, механизм сигналов уже давно используется в операционных системах, в том числе и в UNIX. Операционная система QNX также поддерживает множество сигналов, совместимых с POSIX, большое количество сигналов, традиционно использовавшихся в UNIX (поддержка этих сигналов требуется для совместимости с переносимыми приложениями, ни один из системных процессов QNX их не генерирует), а также несколько сигналов, специфичных для самой системы QNX. По умолчанию любой сигнал, полученный процессом, приводит к завершению процесса (кроме нескольких сигналов, которые по умолчанию игнорируются). Но процесс с приоритетом уровня суперпользователя может защититься от нежелательных сигналов. В любом случае процесс может содержать обработчик для каждого возможного сигнала. Сигналы удобно рассматривать как разновидность программных прерываний. Редиректор прерываний является частью ядра и занимается перенаправлением аппаратных прерываний в связанные с ними процессы. Благодаря такому подходу 344 Глава 10. Краткий обзор современных операционных систем возникает один побочный эффект — с аппаратной частью компьютера работает ядро, оно перенаправляет прерывания процессам — обработчикам прерываний. Обработчики прерываний обычно встроены в процессы, хотя каждый из них исполняется асинхронно с процессом, в который он встроен. Обработчик исполняется в контексте процесса и имеет доступ ко всем глобальным переменным процесса. При работе обработчика прерываний прерывания разрешены, но обработчик приостанавливается только в том случае, если произошло более высокоприоритетное прерывание. Если это позволяется аппаратной частью, к одному прерыванию может быть подключено несколько обработчиков, каждый из которых получит управление при возникновении прерывания. Этот механизм позволяет пользователю избегать работы с аппаратным обеспечением напрямую и тем самым избегать конфликтов между различными процессами, работающими с одним и тем же устройством. Для обработки сигналов от внешних устройств чрезвычайно важно минимизировать время между возникновением события и началом непосредственной его обработки. Этот фактор существен в любой области применения: от работы терминальных устройств до обработки высокочастотных сигналов. Блок планирования выполнения задач обеспечивает многозадачность. В этом плане операционная система QNX предоставляет разработчику огромный простор для выбора той дисциплины выделения ресурсов процессора задаче, которая обеспечит наиболее подходящие условия для выполнения критически важных приложений, а обычным приложениям обеспечит такие условия, при которых они будут выполняться за разумное время, не мешая работе критически важных приложений. К выполнению своих функций как диспетчера ядро приступает в следующих случаях:

• какой-либо процесс вышел из блокированного состояния;
• истек квант времени для процесса, владеющего центральным процессором;
• работающий процесс прерван каким-либо событием.

Диспетчер выбирает процесс для запуска среди неблокированных процессов в порядке значений их приоритетов в диапазоне от 0 (наименьший) до 31 (наибольший). Обслуживание каждого из процессов зависит от метода его диспетчеризации (приоритет и метод диспетчеризации могут динамически меняться во время работы).

В QNX существуют три метода диспетчеризации:

• очередь (First In First Out, FIFO) — раньше пришедший процесс раньше обслуживается;

• карусель (Round Robin, RR) — процессу выделяется определенный квант времени для работы, после чего процессор предоставляется следующему процессу;

• адаптивный метод (используется чаще других).

Метод FIFO наиболее близок к не вытесняющей многозадачности. То есть процесс выполняется до тех пор, пока он не перейдет в состояние ожидания сообщения, в состояние ожидания ответа на сообщение или не отдаст управление ядру. При переходе в одно из таких состояний процесс помещается последним в очередь про- Сетевая операционная система реального времени QNX 345 цессов с таким же уровнем приоритета, а управление передается процессу с наибольшим приоритетом. В методе RR все происходит так же, как и в предыдущем, с той разницей, что период, в течение которого процесс может работать без перерыва, ограничивается неким квантом времени. Процесс, работающий в соответствии с адаптивным методом, ведет себя следующим образом:

• если процесс полностью использует выделенный ему квант времени, а в системе есть готовые к исполнению процессы с тем же уровнем приоритета, его приоритет снижается на 1;

• если процесс с пониженным приоритетом остается необслуженным в течение секунды, его приоритет увеличивается на 1;

• если процесс блокируется, ему возвращается исходное значение приоритета.

По умолчанию процессы запускаются в режиме адаптивной многозадачности. В этом же режиме работают все системные утилиты QNX. Процессы, работающие в разных режимах многозадачности, могут одновременно находиться в памяти и исполняться. Важный элемент реализации многозадачности — приоритет процесса. Обычно приоритет процесса устанавливается при его запуске. Но есть дополнительная возможность, называемая вызываемым клиентом приоритетом. Как правило, она реализуется для серверных процессов (исполняющих запросы на какое-либо обслуживание). При этом приоритет процесса-сервера устанавливается только на время обработки запроса и становится равным приоритету процесса-клиента. Сетевой интерфейс в операционной системе QNX является неотъемлемой частью ядра. Он, конечно, взаимодействует с сетевым адаптером через сетевой драйвер, но базовые сетевые службы реализованы на уровне ядра. При этом передача сообщения процессу, находящемуся на другом компьютере, ничем не отличается с точки зрения приложения от передачи сообщения процессу, выполняющемуся на том же компьютере. Благодаря такой организации сеть превращается в однородную вычислительную среду. При этом для большинства приложений не имеет значения, с какого компьютера они были запущены, на каком исполняются и куда поступают результаты их работы. Все службы операционной системы QNX, не реализованные непосредственно в ядре, работают как обычные стандартные процессы в полном соответствии с основными концепциями микроядерной архитектуры. С точки зрения операционной системы эти системные процессы ничем не отличаются от всех остальных. Как, впрочем, и драйверы устройств. Единственное, что нужно сделать, чтобы новый драйвер устройства стал частью операционной системы, — изменить конфигурационный файл системы так, чтобы драйвер запускался при загрузке.

На сегодняшний день единственным ограничением на широкое использование QNX является высокая стоимость лицензии и сильная зависимость от QNX Software Systems в плане лицензирования разработанного программного обеспечения. Но, тем не менее, она занимает лидирующую позицию среди ОС реального времени на платформе ПК.

Cisco Systems использует оптимизированную версию микроядра QNX Neutrino в программном обеспечении IOS XR. Программный пакет IOS XR предназначен для управления коммутаторами Cisco CRS-1, обеспечивает непрерывный режим работы и поддерживает развитые функции управления терабитными коммутаторами с распределённой архитектурой.

Решения на базе QNX лицензированы для использования на более чем 10,1 миллионах единиц техники от практически всех ведущих производителей автомобилей, включая BMW, Chrysler, Daimler, Fiat, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Saab, SsangYong, Toyota и Volkswagen. В частности, такие автомобили выпускаются под марками Acura, Alfa Romeo, Audi, Buick, Cadillac, Chevrolet, Dodge, Honda, Hummer, Infiniti, Jeep, Lancia, Mini, Mercedes, Opel, Pontiac, Saturn и другими.

Используется для управления роботом BigDog.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большое разнообразие типов компьютеров, используемых в вычислительных сетях, влечет за собой разнообразие операционных систем: для рабочих станций, для серверов сетей уровня отдела и серверов уровня предприятия в целом. К ним могут предъявляться различные требования по производительности и функциональным возможностям, желательно, чтобы они обладали свойством совместимости, которое позволит обеспечить совместную работу различных ОС.
Сетевые ОС могут быть разделены на две группы: масштаба отдела и масштаба предприятия. ОС для отделов или рабочих групп обеспечивают набор сетевых сервисов, включая разделение файлов, приложений и принтеров. Они также должны обеспечивать свойства отказоустойчивости, например, работать с RAID- массивами, поддерживать кластерные архитектуры. Сетевые ОС отделов обычно более просты в установке и управлении по сравнению с сетевыми ОС предприятия, у них меньше функциональных свойств, они меньше защищают данные и имеют более слабые возможности по взаимодействию с другими типами сетей, а также худшую производительность.
Сетевая операционная система масштаба предприятия прежде всего должна обладать основными свойствами любых корпоративных продуктов, в том числе: масштабируемостью, то есть способностью одинаково хорошо работать в широком диапазоне различных количественных характеристик сети, совместимостью с другими продуктами, то есть способностью работать в сложной гетерогенной среде интерсети в режиме plug-and-play.
Корпоративная сетевая ОС должна поддерживать более сложные сервисы. Подобно сетевой ОС рабочих групп, сетевая ОС масштаба предприятия должна позволять пользователям разделять файлы, приложения и принтеры, причем делать это для большего количества пользователей и объема данных и с более высокой производительностью. Кроме того, сетевая ОС масштаба предприятия обеспечивает возможность соединения разнородных систем - как рабочих станций, так и серверов. Например, даже если ОС работает на платформе Intel, она должна поддерживать рабочие станции UNIX, работающие на RISC- платформах. Аналогично, серверная ОС, работающая на RISC-компьютере, должна поддерживать DOS, Windows и OS/2. Сетевая ОС масштаба предприятия должна поддерживать несколько стеков протоколов (таких как TCP/IP,IPX/SPX, NetBIOS, DECnet и OSI), обеспечивая простой доступ к удаленным ресурсам, удобные процедуры управления сервисами, включая агентов для систем управления сетью.
Важным элементом сетевой ОС масштаба предприятия является централизованная справочная служба, в которой хранятся данные о пользователях и разделяемых ресурсах сети. Такая служба, называемая также службой каталогов, обеспечивает единый логический вход пользователя в сеть и предоставляет ему удобные средства просмотра всех доступных ему ресурсов. Администратор, при наличии в сети централизованной справочной службы, избавлен от необходимости заводить на каждом сервере повторяющийся список пользователей, а значит избавлен от большого количества рутинной работы и от потенциальных ошибок при определении состава пользователей и их прав на каждом сервере.

Важнейшей функцией операционной системы является организация рационального использования всех аппаратных и программных ресурсов системы. К основным ресурсам могут быть отнесены: процессоры, память, внешние устройства, данные и программы. Располагающая одними и теми же ресурсами, но управляемая различными ОС, вычислительная система может работать с разной степенью эффективности. Поэтому знание внутренних механизмов операционной системы позволяет косвенно судить о ее эксплуатационных возможностях и характеристиках.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Терри Оглтри, Модернизация и ремонт сетей. 4-е изд. — М.:«Вильямс», 2005 г. — 1328 с.
2. Олифер В. Г., Олифер Н. А., Сетевые операционные системы — Спб.: Питер, 2001. — 544 с.
3. Джеймс Ф. Куроуз, Кит В. Росс, Компьютерные сети. Нисходящий подход — М.: Эксмо, 2016. – 912 с.
4. Иртегов Д.В., Введение в сетевые технологии — Спб.: БХВ-Петербург, 2004. —560 с.
5. Иртегов Д. В. Введение в операционные системы. — Спб.: БХВ-Петербург, 2012. —1040 с.
6. Кузьменко Н.Г., Компьютерные сети и сетевые технологии — Спб.: Наука и техника, 2013. —368 с.
7. Исаев Г.Н. Информационные технологии: учебное пособие /Г.Н. Исаев. – М.: Омега-Л, 2012 – 464 с.
8. С. В. Синицын, А. В. Батаев, Н.Ю. Налютин Операционные системы — М.: Академия, 2010. — 304 с.
9. Гордеев А. В., Операционные системы: Учебник для вузов. 2-е изд. — Спб.: Питер, 2009. —416 с.
10. Гордеев А. В., Молчанов А. Ю. Системное программное обеспечение: Учебник. —Спб.: Питер, 2002. —736 с.
11. Кенин А. М., Колисниченко Д. Н. Самоучитель системного администратора Спб.: БХВ-Петербург, 2016. —528 с.
12. Верещагина Е. А. Операционные системы. Учебно-методический комплекс М.: Проспект, 2015. —144 с.
13. Таненбаум Эндрю, Бос Херберт "Современные операционные системы" Спб.: Питер, 2015. —1120 с.
14. Шагаков К. И. Как правильно пользоваться компьютером М.: Эксмо-Пресс, 2014 —224 с.
15. Симонович С.Р. Информатика: Базовый курс. СПб.: Питер, 2005. – 640 с.
16. Попов В.Б. Основы компьютерных технологий. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 704 с.
17. Морозевич А.Н., Говядинова Н.Н., Левашенко В.Г. и др. Основы информатики: Учебное пособие; Под ред. Морозевича А.Н.. – Мн.: Новое знание, 2003. – 544 с.